Лазеры и их применение в медицине. Физические основы интроскопии

 

 

 

 

 

 

 

3. Основные направления использования лазера в медицине.

Лазеры — оптические квантовые  генераторы — гениальное изобретение  двадцатого столетия. За 35 лет своего существования лазеры нашли широкое  применение в промышленном производстве, бытовой электронике, космических  технологиях. В медицине применение лазеров достигло такого уровня, что  можно говорить о создании нового крупного направления — лазерной медицины.

Широкое применение лазеров  в медицине обусловлено следующими факторами:

• отсутствие прямого контакта инструмента с биотканью при проведении хирургического вмешательства с помощью луча лазера резко снижает опасность инфицирования оперируемых органов (отсутствует риск передачи ВИЧ-инфекции, гепатита В и др.);
• излучение лазера убивает патологическую микрофлору и опухолевые клетки в зоне операционного разреза, чем уменьшает вероятность послеоперационных осложнений;
• лазерное излучение герметизирует кровеносные сосуды в зоне воздействия, позволяя получить практически бескровный разрез и сохранить операционное поле сухим и чистым (значит, теперь мы можем помочь пациентам с нарушением свертываемости крови, гемофилией и с лучевой болезнью);
• лазерное излучение, сфокусированное до нескольких десятков микрон, оказывает минимальное термическое воздействие на биоткань, близлежащую к зоне операционного вмешательства;
• возможность управления параметрами лазерного излучения позволяет оптимизировать воздействие в зависимости от вида биоткани и формы патологии.

Таким образом, луч лазера — это высокоточный бесконтактный, бескровный, стерильный и бактерицидный хирургический инструмент, позволяющий значительно сократить процесс послеоперационного заживления.

Наибольшее распространение  в качестве инструмента лазерной хирургии получили углекислотные (СО2) лазеры. Механизм излучения СО2 лазера связан с инфракрасными полосами поглощения воды, как известно, содержащейся в значительных количествах во всех видах биологических тканей. Практически вся энергия СО2 лазера (на длине волны 10,6 мкм) превращается в тепло, приводя к выпариванию биоткани в зоне операционного воздействия. В зависимости от мощности излучения на биоткани происходит её рассечение или коагуляция. Следует отметить, что на сегодняшний день СО2 лазер является наиболее дешевым, надежным (ресурс работы достигает нескольких тысяч часов) и эффективным (КПД 70%) лазерным устройством, позволяющим создавать надежную компактную и при этом относительно дешевое лазерное оборудование.

Многообразие полезных свойств  лазерного излучения обеспечивает лазерным технологиям широкое применение во многих областях медицины: в абдоминальной  хирургии, хирургии легких и плевры, гинекологии, пластической хирургии и косметологии, онкологии, отоларингологии, ожоговой хирургии, урологии, гнойной хирургии и в стоматологии.

 

4. Расщепление энергетических уровней атомов в магнитном поле.

Расщепление в магнитном  поле энергетических уравнений атомов, приводящее к расщеплению спектральных линий в спектрах, называют эффектом Зеемана. Различают эффект Зеемана: нормальный (простой), когда каждая линия расщепляется на три компонента, и аномальный (сложный), когда каждая линия расщепляется на большее, чем  три, число компонентов.

Эффект Зеемана характерен для атомов парамагнетиков, так как  только эти атомы обладают отличным от нуля магнитным моментом и могут  взаимодействовать с внешним  магнитным полем.

Атом, обладающий магнитным  моментом, приобретает в магнитном  поле дополнительную энергию

∆E = -μJBB,

(13.54)

где μJB — проекция полного магнитного момента атома на направление поля В. Имея в виду формулу (13.53), запишем выражение для энергии каждого подуровня:

E = E0 + ∆E = E0 + μБgBmJ , mJ = J, J-1, …, -J,

(13.55)

где Е0 — энергия уровня в отсутствие магнитного поля.

Отсюда следует, что уровни с квантовым числом J расщепляются в магнитном поле на 2J + 1 равноотстоящих друг от друга подуровней, причем величина расщепления зависит от множителя  Ланде g, т. е. интервалы δЕ между соседними подуровнями пропорциональны g: δЕ ≈ g. Таким образом, магнитное поле в результате расщепления уровней снимает вырождение по mJ.

Кроме этого, необходимо учесть, что возможны только такие переходы между подуровнями, принадлежащими разным уровням, при которых выполняются  следующие правила отбора для  квантового числа тJ:

∆mJ = 0, ±1.

(13.56)

Если в (13.55) B = 0, то энергетический уровень определяется только первым членом, если В ≠ 0, то необходимо учитывать возможные значения mJ , а оно может принимать 2J + 1 значений. Это означает расщепление первоначального энергетического уровня на 2J+ 1 подуровней.

Теперь можно понять происхождение  мультиплетов Зеемана. На рис. 13.11 рассмотрены  возможные переходы в атоме водорода между состояниями р (l = 1)иs(l=0) для двух случаев:

когда В = 0 (внешнее магнитное поле отсутствует);

когда В ≠ 0.

 

Рис. 13.11.

В отсутствие поля наблюдается одна линия с частотой v0. В магнитном  поле p-состояние расщепляется на три  подуровня (при l = 1, ml, = 0, ± 1), с каждого из которых могут происходить переходы на уровень s, и каждый переход характеризуется своей частотой: v0 - ∆v, v0, v0 + ∆v. Следовательно, в спектре появляется триплет (наблюдается нормальный эффект Зеемана).

Не вдаваясь в подробности, отметим, что нормальный эффект Зеемана  наблюдается в том случае, если исходные линии не обладают тонкой структурой (являются синглетами). Если исходные уровни обладают тонкой структурой, то в спектре появляется большее  число компонентов и наблюдается  аномальный эффект Зеемана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Электронный парамагнитный резонанс.

Электронный парамагнитный  резонанс (ЭПР, электронный спиновый резонанс), явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле, обусловленное квантовыми переходами между магнитными подуровнями парамагнитных атомов и ионов (эффект Зеемана). Открыт Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете в 1944 г.

Физика явления. В отсутствие постоянного магнитного поля Н магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких частиц вырождено по энергии. При наложении поля Н проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается (эффект Зеемана), т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E₀. Расстояние между возникшими подуровнями зависит от напряженности поля Н и равно (рис. 1), где g - фактор спектроскопического расщепления (см. ниже), - магнетон Бора, равный 9,274 x 10^-24 Дж/Тл; в системе единиц СИ вместо Н следует использовать магнитную индукцию где - магнитная проницаемость свободного пространства, равная 1,257 x 10^-6 Гн/м. Распределение электронов по подуровням подчиняется закону Больцмана, согласно которому отношение заселенностей подуровней определяется выражением где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Если на образец подействовать переменным магнитным полем с частотой v, такой, что (h - постоянная Планка), и направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы между соседними подуровнями, причем переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Так как на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).

 Расщепление энергетического  уровня электрона в постоянном  магнитном поле. Е₀ - уровень в отсутствие поля, Е₁ и Е₂ - уровни, возникающие в присутствии поля Н.

Для непрерывного наблюдения поглощения энергии условия резонанса  недостаточно, т.к. при воздействии  электромагнитного излучения произойдет выравнивание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания  больцмановского распределения заселенностей подуровней необходимы релаксационные процессы. Релаксационные переходы электронов из возбужденного состояния в основное реализуются при обмене энергией с окружающей средой (решеткой), который осуществляется при индуцированных решеткой переходах между электронными подуровнями и определяется как спин-решеточная релаксация. Избыток энергии перераспределяется и между самими электронами - происходит спин-спиновая релаксация. Времена спин-решеточной релаксации T₁ и спин-спиновой релаксации Т₂являются количественной мерой скорости возврата спиновой системы в исходное состояние после воздействия электромагнитного излучения. Зафиксированное регистрирующим устройством поглощение электромагнитной энергии спиновой системой и представляет собой спектр ЭПР.

 

 

 

6. Медико-биологическое применение электронного парамагнитного резонанса.

 

Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные  ионы, изоморфно входящие в решётку  от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в  кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие  структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого  иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод  позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. С  помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений  на живые организмы.

Изучая магнитное поле, мы выяснили, что живые организмы  состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать  электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного  и количественного изучения возможно применение метода ЭПР. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют  канцерогенную активность некоторых  веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Основные характеристики ядер. Магнитный момент ядра.

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода ¹² С:

1а.е.м = 1.6606 10^-27 кг.

А.е.м. выражается через энергетические единицы:

1а.е.м = 1.510^-3эрг = 1.510^-10дж = 931.49 МэВ

Масса покоя частицы m, ее полная энергия E и импульс p связаны соотношением (релятивистский инвариант):                                                                

E² - c²p² = m²c⁴.          (1.1)  
При скорости частицы v = 0 энергия покоя E₀ и полная энергия частицы E совпадают                                                                       

Е₀ = mc²                  (1.2) 
Полная энергия частицы состоит из двух слагаемых:                                                                     

E = mc²+ T ,             (1.3)  
где Т- кинетическая энергия частицы.  
Масса ядра всегда меньше массы составляющих его нуклонов.  
Радиус ядра R связан с массовым числом A соотношением                                                                       

R = r₀A^1/3,              (1.4)  
где параметр r₀ 1.3 Фм.

Энергия связи ядра E_св(A,Z) это энергия, необходимая, чтобы развалить ядро на отдельные, составляющие его нуклоны. Энергия связи определяется соотношением:                                               

Е_св(A, Z) = Z m_p + (A - Z)m_n - M(A, Z) c²,

где Z - число протонов, ( A - Z) - число  нейтронов, m_p - масса протона, m_n - масса нейтрона, М(A,Z) - масса ядра с массовым числом А и зарядом Z.  
Полная энергия связи ядра, выраженная через массу атома, имеет вид:                                 

Е_св(A, Z) = Zm_H + (A - Z)m_n - M_ат(A, Z) - Zm_e) c² ,              (1.5)

Удельная энергия связи ядра (A, Z) это энергия связи, приходящаяся на один нуклон                                                        

(A, Z) = E_св(A,Z) / A,                                    (1.6)

где А - массовое число.

Избыток масс (дефект масс) связан с массой атома M_ат(A,Z) и массовым числом A соотношением:                                                              

= М_ат(A,Z) - А,                                      (1.7)

 

В таблицах избытки масс атомов даются в энергетических единицах, обычно в кэВ.

Спин ядра J это векторная сумма спинов и орбитальных моментов составляющих ядро нуклонов.

,

где   - спины составляющих ядро нуклонов,   - их орбитальные моменты.

Четность ядра P определяется орбитальными моментами составляющих его нуклонов                                                                               

.                              (1.8)

На рисунке показана типичная схема  уровней (ядро ¹²C). Указаны энергии возбуждения в МэВ, а также спины и четности состояний. Минимальное значение энергии покоя (массы) имеет ядро, находящееся в состоянии, когда энергия внутреннего движения нуклонов минимальна. Такое состояние называется основным. Энергия возбуждения отсчитывается от основного состояния. На рисунке показаны также основные состояния ядер ¹²B и ¹²N, распадающиеся в результате  и -распадов на основное и возбужденные состояния ядра ¹²C. 

Магнитный момент ядра — это векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества

  

 
В отличие от электронов магнитные моменты ядер возникают лишь при наличии у них собственного момента количества движения. Согласно законам квантовой механики наблюдаемая в опытах величина собственного момента количества движения ядра (р) может принимать значения, кратные